Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cân băng định lượng bằng bộ điều khiển mờ thích nghi

Dương Mạnh Linh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 99(11): 165 - 168<br /> <br /> NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG<br /> ĐỊNH LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI<br /> Dương Mạnh Linh*<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển bằng bộ điều khiển mờ thích nghi<br /> thay cho bộ điều khiển PID truyền thống thường được ứng dụng để điều khiển các bộ truyền động<br /> cân băng.<br /> Từ khóa: điều khiển mờ thích nghi, hệ thống cân băng định lượng, adaptive fuzzy, PID…<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Hệ thống cân băng định lượng là một trong<br /> những khâu quan trọng giúp cho nhà máy<br /> hoạt động một cách liên tục. Cân băng định<br /> lượng là một khâu trong dây chuyền công<br /> nghệ nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên<br /> liệu cần thiết cho nhà máy, lượng nguyên liệu<br /> này đã được người lập trình cài đặt một giá trị<br /> trước. Khi mà lượng nguyện liêu trên băng tải<br /> ít đi thì đòi hỏi phải tăng tốc động cơ lên để<br /> băng tải chuyển động nhanh hơn nhằm cung<br /> cấp đủ lượng nguyên liệu cần thiết. Ngược lại<br /> khi lượng nguyên liệu trên băng tải vận<br /> chuyển với lưu lượng nhiều thì các thiết bị tự<br /> động sẻ tự động điều khiển cho động cơ quay<br /> với tốc độ chậm lại phù hợp với yêu cầu.<br /> NỘI DUNG CHÍNH<br /> Xây dựng nguyên lý đo khối lượng của cân<br /> băng định lượng.<br /> Khối lượng của vật liệu được cơ cấu cân định<br /> lượng cân chính xác theo lượng đặt ban đầu.<br /> Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức:<br /> Q = δ.v [ kg/s ]<br /> (1)<br /> hay:<br /> 3600.δ .v<br /> Q=<br /> 1000<br /> Trong đó:<br /> δ : khối lượng tải theo chiều dài [kg/m]<br /> v : tốc độ di chuyển của băng [m/s]<br /> Khối lượng của băng tải theo chiều dài được<br /> tính theo công thức:<br /> δ = S.γ.103<br /> (2)<br /> *<br /> <br /> Tel: 0912 437020, Email: manhlinh1986@gmail.com<br /> <br /> Trong đó:<br /> γ: Khối lượng riêng của vật liệu [tấn/m3]<br /> S: Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng<br /> [m2]<br /> Xây dựng hệ thống truyền động cho hệ<br /> thống cân băng<br /> Từ những đặc điểm công nghệ, yêu cầu<br /> truyền động của cân băng thì ta có các<br /> phương án truyền động sau:<br /> - Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển<br /> thyristor- động cơ 1 chiều (Hệ T-Đ).<br /> - Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ 1<br /> chiều (Hệ XA-Đ).<br /> - Hệ thống truyền động vécto biến tần động<br /> cơ không đồng bộ ba pha.<br /> Trong những năm gần đây, hệ thống điều chế<br /> độ rộng xung PWM do các linh kiện bán dẫn<br /> tạo thành sử dụng các transito GTO, GTR và<br /> P-MOSFET, chúng có rất nhiều ưu điểm: (1)<br /> mạch điện chính đơn giản, các linh kiện công<br /> suất ít; (2) tần số đóng mở cao, dòng điện dễ<br /> giữ được liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát<br /> nhiệt của động cơ khá nhỏ; (3) có khả năng<br /> vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao khi<br /> tốc độ ổn định, vì vậy phạm vi điều tốc rộng;<br /> (4) dải tần của hệ thống rộng, tính thích nghi<br /> nhanh nhậy rất tốt, khả năng chống nhiễu<br /> trạng thái động mạnh; (5) các linh kiện của<br /> mạch điện chính làm việc ở trạng thái đóng<br /> mở, tổn hao khi mở thông nhỏ, hiệu suất thiết<br /> bị khá cao; (6) dòng điện một chiều khi sử<br /> dụng hệ thống chỉnh lưu ba pha không điều<br /> khiển được, hệ số công suất của mạng cao. Từ<br /> những ưu điểm nổi trội của hệ thống xung<br /> 165<br /> <br /> Dương Mạnh Linh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> điện áp do đó trong đề tài này chọn hệ thống<br /> xung điện áp làm hệ truyền động cho hệ<br /> thống điều tốc.<br /> <br /> Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế<br /> độ rộng xung một chiều<br /> <br /> Tổng hợp hệ thống<br /> Để phù hợp với yêu cầu của hệ truyền động,<br /> qua phân tích cơ cấu cân băng, ta thấy rằng hệ<br /> truyền động này bao gồm ba mạch vòng điều<br /> chỉnh, đó là mạch vòng điều chỉnh dòng điện,<br /> mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng<br /> điều chỉnh năng suất.<br /> <br /> 99(11): 165 - 168<br /> <br /> Iđm: Dòng điện định mức của động cơ 8,5 A<br /> Ikt: Dòng kích từ động cơ 0,57 A<br /> Lư: Điện cảm phần ứng 0,1944 H<br /> R: Điện trở phần ứng 6.7 Ω<br /> Ti: Hằng số thời gian của máy biến dòng<br /> 0,0025 s<br /> T: Chu kỳ của điện áp ra được chọn 0,0033s<br /> Tđk: Hằng số thời gian của mạch điều khiển<br /> bộ chỉnh lưu 0,00015 s<br /> Tω: Hằng số thời gian của máy phát tốc<br /> 0,0015 s<br /> Tϕ: Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí<br /> 0,3 s<br /> ηđm: Hiệu suất định mức của động cơ 80%<br /> Sử dụng công cụ Simulink của Matlab, xây<br /> dựng mô hình mô phỏng mạch vòng điều<br /> chỉnh năng suất và mạch vòng điều chỉnh tốc<br /> độ (trong đó bao gồm cả mạch vòng điều<br /> chỉnh dòng điện) của hệ thống truyền động<br /> điện sử dụng bộ điều chế độ rộng xung điện<br /> áp. Đồng thời, để đơn giản cho quá trình mô<br /> phỏng ta chọn các khâu phản hồi tốc độ có<br /> γ=1, phản hồi vị trí có ϕ =1 như hình 3 với<br /> bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI.<br /> <br /> Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự động điều<br /> khiển cân băng<br /> <br /> Trong đó: Q là lượng đặt năng suất.<br /> Wc(p) là hàm truyền của khâu động cơ.<br /> Wpwm là hàm truyền của bộ điều chế độ<br /> rộng xung.<br /> WRI là hàm truyền của bộ điều khiển dòng.<br /> WRω là hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ.<br /> WRϕ là hàm truyền của bộ điều năng suất.<br /> Mô phỏng hệ truyền động cân băng khi sử<br /> dụng bộ điều khiển PID.<br /> Các thông số hệ truyền động:<br /> Loại động cơ: ΠH-68 do Nga sản xuất với các<br /> thông số như sau:<br /> Pđm: Công suất định mức của động cơ là<br /> 1,45 kW<br /> Uđm: Điện áp định mức của động cơ là 220 V<br /> nđm: Tốc độ quay định mức của động cơ<br /> 2100 v/p<br /> 166<br /> <br /> Hình 3: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ<br /> điều khiển PID kinh điển<br /> <br /> Kết quả mô phỏng được thể hiện dưới đây<br /> đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra:<br /> <br /> Hình 4: Kết quả mô phỏng với chỉ tiêu tốc độ,<br /> dòng điện và năng suất<br /> <br /> Dương Mạnh Linh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Nhận xét:<br /> Chất lượng của hệ thống điều khiển sử dụng<br /> bộ điều khiển PID kinh điển tuy vẫn đảm bảo<br /> nhưng nói chung chất lượng vẫn còn chưa tốt<br /> lắm. Điều này được thể hiện qua các chỉ tiêu<br /> chất lượng dưới đây:<br /> - Tồn tại độ quá điều chỉnh<br /> - Dao động khi áp tải: có .<br /> - Năng suất của hệ thống cân băng chưa bám<br /> theo lượng đặt một cách nhanh chóng<br /> Mặc dù chất lượng đảm bảo nhưng thực chất<br /> trong mạch có khâu phi tuyến là bộ điều<br /> khiển năng suất.<br /> Trong thực tế theo công nghệ cân băng thì<br /> lượng than rơi xuống băng tải luôn thay đổi<br /> dẫn đến hệ số K cũng phải thay đổi theo để<br /> đáp ứng được yêu cầu truyền động. Nên tác<br /> giả đề xuất phương án sử dụng bộ điều khiển<br /> mờ thích nghi thay thế bộ điều khiển PID<br /> kinh điển.<br /> Ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi để<br /> nâng cao chất lượng hệ thống.<br /> Định nghĩa điều khiển mờ thích nghi<br /> Hệ điều khiển mờ thích nghi là hệ điều khiển<br /> thích nghi được xây dựng trên cơ sở của hệ mờ.<br /> So với hệ điều khiển kinh điển hệ điều khiển<br /> thích nghi mờ có miền tham số chỉnh định<br /> lớn. Bên cạnh các tham số K, TI, TD giống<br /> như bộ điều khiển PID thông thường, ở bộ<br /> điều khiển mờ ta có thể chỉnh định các tham<br /> số khác nhau như hàm liên thuộc, các luật<br /> hợp thành, các phép toán OR, AND, NOT,<br /> nguyên lý giải mờ …<br /> Trong thực tế hệ điều khiển mờ thích nghi<br /> được sử dụng ngày càng nhiều vì nó có các<br /> ưu điểm nổi bật so với hệ thông thường. Với<br /> khả năng tự chỉnh định lại các tham số của bộ<br /> điều chỉnh cho phù hợp với đối tượng chưa<br /> biết rõ đã đưa hệ thích nghi trở thành một hệ<br /> điều khiển thông minh.<br /> Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô<br /> hình mẫu song song<br /> Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ logic mờ<br /> (FLC –Fuzzy Logic Control) là cấu trúc kiểu<br /> phản hồi sai lệch như hình 5.<br /> <br /> 99(11): 165 - 168<br /> <br /> Hình 5: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai<br /> đầu vào<br /> <br /> Trong đó:<br /> kD, λ là các hệ số khuếch đại đầu vào<br /> K là hệ số khuếch đại đầu ra.<br /> Thực tiễn cho thấy việc chỉnh định FLC khó<br /> khăn hơn nhiều so với chỉnh định bộ điều<br /> khiển kinh điển, một trong những lý do chính<br /> là tính mềm dẻo của vùng nhận biết cơ bản<br /> của bộ điều khiển mờ và sự móc nối các<br /> thông số của chúng. Tuy nhiên không có một<br /> cách hệ thống hoá nào để đưa ra tất cả các<br /> thông số này.<br /> Trong điều khiển thích nghi kinh điển nói<br /> chung không cần một mô hình mẫu hoàn hảo.<br /> Tuy nhiên sự sai khác giữa mô hình mẫu và<br /> đối tượng cũng như tính phi tuyến của nó chỉ<br /> nằm trong giới hạn nào đó, nếu quá giới hạn<br /> này bộ điều chỉnh sẽ không làm việc hiệu quả<br /> nữa. Để khắc phục nhược điểm đó, luận văn<br /> này sử dụng hệ điều khiển mờ thích nghi theo<br /> mô hình mẫu.<br /> *) Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu<br /> ra bộ điều khiển mờ (thích nghi 1 tham số).<br /> *) Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu<br /> ra và hệ số tích phân sai lệch đầu vào của bộ<br /> điều khiển mờ (thích nghi 2 tham số).<br /> <br /> Hình 6: MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại<br /> đầu ra và hệ số tích phân sai lệch đầu vào<br /> <br /> Ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng<br /> cao năng suất cho hệ điều khiển cân băng.<br /> Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và<br /> Simulink của phần mềm Matlab để xây dựng<br /> 167<br /> <br /> Dương Mạnh Linh<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> bộ điều khiển mờ thích nghi theo những thiết<br /> kế trên.<br /> <br /> Hình 7: Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển mờ<br /> thích nghi thay thế cho bộ điều khiển PID<br /> <br /> Kết quả mô phỏng khâu năng suất với các<br /> lượng đặt khác nhau:<br /> <br /> 99(11): 165 - 168<br /> <br /> Với các ưu điểm này, hệ điều chỉnh năng suất<br /> cho thấy khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích<br /> nghi thay thế cho bộ điều khiển PID sẽ cho<br /> kết quả chất lượng tốt hơn.<br /> KẾT LUẬN<br /> Việc nghiên cứu các tính chất của bộ điều<br /> khiển mờ thích nghi cũng như phân tích các<br /> cách mắc bộ điều khiển mờ thích nghi trong<br /> mạch vòng năng suất thay thế cho bộ điều<br /> khiển PID. Cách mắc này sẽ thích hợp với<br /> cách xây dựng mạch, đồng thời làm tăng độ<br /> nhạy của hệ thống dẫn tới chất lượng của hệ<br /> thống được tốt hơn.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> Kết quả mô phỏng với khâu tốc độ ứng với 2<br /> trường hợp sử dụng bộ điều khiển mờ thích<br /> nghi và PID<br /> <br /> Nhận xét:<br /> - Không còn tồn tại độ quá điều chỉnh<br /> - Dao động khi áp tải: không .<br /> - Năng suất của hệ thống cân băng bám theo<br /> lượng đặt một cách nhanh chóng.<br /> <br /> [1]. Trần Thọ, Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động<br /> truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,<br /> Hà nội.<br /> [2]. Nguyễn Trọng Thuần (2002), Điều khiển Logic và<br /> ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.<br /> [3]. Kal Johan Astroum and Bjorn Wittenmark:<br /> Adaptive control, Addison-Wesley, 1995<br /> [4]. Yager R. R. and Filer D. P.: Essentials of Fuzzy<br /> Modeling and Control, John Wiley, 1994.<br /> [5]. J. M. Mendel: Fuzzy Logic Systems for<br /> Engineering: A tutorial, Proc. IEEE, vol. 83, pp. 345377, 1995.<br /> [6]. L. X. Wang: Adaptive Fuzzy System & Control<br /> design & Stability Analysis, Prentice-Hall, 1994.<br /> [7]. T. J. Procyk and E. H. Mamdani. A linguistic selforganizing process controller. Automatica, 15:15–30,<br /> 1979.<br /> [8]. E.H.Mamdani and N. Baaklini. Prescriptivemethod<br /> for deriving control policy in a fuzzy-logic controller.<br /> Electronics Letters, 11(25/26):625–626, 1975.<br /> [9]. T. Yamazaki and E. H. Mamdani. On the<br /> performance of a rule-based self-organizing<br /> controller. In Proc. IEEE Control Applications of<br /> Adaptive and Multivariable Control, Hull, 1982.<br /> <br /> SUMMARY<br /> IMPROVE THE QUALITY OF CONTROLS CONVEYOR BELT<br /> SLALES SYSTEM WITH ADAPTIVE FUZZY CONTROLLERS<br /> Duong Manh Linh*<br /> College of Technology - TNU<br /> <br /> In this paper, it is proposed that the controller be tuned using Adaptive fuzzy controller, instead of<br /> traditional PID controller. To control conveyor belt slales system<br /> Keywords: adaptive fuzzy control, quantitative balancing system, adaptive fuzzy PID ...<br /> Ngày nhận bài:19/11/2012, ngày phản biện:29/11/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012<br /> *<br /> <br /> Tel: 0912 437020, Email: manhlinh1986@gmail.com<br /> <br /> 168<br /> <br />